盐胁迫对薄壳山核桃（Carya illinoensis）坚果品质和幼苗生理与分子调控的影响

【摘要】：我国海岸线长,存有大量的盐渍土,因此筛选适宜盐碱地种植的植物,对于提高盐碱地的利用效率、应对土壤盐化和强化沿海防护林体系建设有重要的意义。薄壳山核桃(Carya illinoensis)是一种具有良好经济效益的坚果类果树树种,因具有耐瘠薄、耐干旱、抗病等优良特性,近几年在我国大面积推广种植。目前关于薄壳山核桃的抗逆研究大都集中在生理生化等方面,而对其分子机制研究相对较少。本文以薄壳山核桃主要栽培品种‘波尼’(C.illinoensis'Pawnee')为研究对象,分析不同氯化钠(Na Cl)浓度处理对其果实品质和幼苗生理生化的影响,并运用代谢和转录组学等分析技术揭示薄壳山核桃响应盐胁迫的分子机理。主要研究结果如下:(1)不同浓度NaCl(0、0.3%、0.6%)处理影响10 a生‘波尼’的坚果形态特征和营养成分,随着Na Cl浓度的增加,坚果纵径、单果重、种壳厚度呈上升趋势,果仁中蛋白质和还原糖均呈上升趋势,而脂肪和可溶性糖含量呈现出缓慢下降的趋势;Na Cl处理改变果仁中棕榈酸、α-亚麻酸和顺-11-二十碳烯酸3种脂肪酸的相对含量,但变化不显著。(2)NaCl胁迫显著抑制了‘波尼’幼苗后期的生长发育,且随着Na Cl浓度的升高抑制作用越强。Na Cl胁迫显著增加‘波尼’幼苗叶片中Na~+/K~+比和脯氨酸含量,显著削弱光合作用,降低叶绿素含量和损害其叶绿体超微结构,且随着Na Cl浓度和处理时间的增加变化越显著。丙二醛(MDA)含量和三种抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)]活力,在处理前期的10或30d,随Na Cl浓度增加而显著增加;而在盐处理后期,尤其在高Na Cl浓度(0.6%和0.9%)下随处理时间的增加呈下降趋势。(3)用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS)对幼苗叶片进行代谢组学分析,发现Na Cl胁迫时间和浓度都显著影响‘波尼’幼苗叶片的代谢组,而处理时间的影响更大。采用加权基因共表达网络分析(WGCNA)对检测到的已知的5 880个代谢产物进行层次聚类,筛选到3个与盐胁迫相关的模块,其中模块plum1和lightgreen中代谢物与Na Cl处理呈正相关,主要属于脂质和类脂分子、苯丙烷和聚酮类化合物,而模块lightcyan中代谢物与Na Cl处理呈负相关,主要属于脂质和类脂分子、有机酸及其衍生物、有机杂环化合物和苯环类化合物。结合共表达模块的关键代谢物和DESeq2差异分析发现了7个显著差异的关键代谢物,包括4个显著上调的代谢产物,即黄蜜环酯L(Melleolide L)、嘌呤类生物碱(Eupolauridine)、苦杏仁甙(Amygdalin)、甲氧西林(Methicillin),和3个显著下调的代谢产物,即9-十六碳烯酸乙酯(Ethyl 9-hexadecenoate)、柠檬烯(Limonene)、反-9-十八碳单烯酸(Elaidic acid),这些代谢物可能在薄壳山核桃响应盐胁迫时发挥重要作用。(4)利用Illumina Hi Seq 4000测序平台对‘波尼’幼苗叶片转录组进行分析,发现0.3%和0.6%浓度的Na Cl处理8、24和48 h后共有7 913个差异表达基因(DEGs),包括4 566个上调的DEGs和3 347个下调的DEGs。功能富集分析发现,这些DEGs主要涉及激素代谢、转录调节、ATP酶转运和抵御响应等生物学过程,进一步发现ATPase10、Calcium-binding protein CML19和NAC transcription factor 72等一些关键DEGs,可能在调节薄壳山核桃盐胁迫耐性中发挥重要作用。(5)利用生物信息学技术对‘波尼’Cil GDSL-脂肪酶基因家族进行鉴定和分析,共鉴定出87个Cil GDSLs,按照其基因结构和基序组成特点可分为12个亚族,大多数Cil GDSL基因具有4个内含子,分别由α螺旋和β链组成,该家族基因位于细胞外(25个Cil GDSLs)和叶绿体(22个Cil GDSLs)中。实时荧光定量聚合酶链式反应(q RT-PCR)验证结果发现一些Cil GDSL基因被盐处理诱导并呈现出较高的表达水平,表明它们在薄壳山核桃盐胁迫过程中发挥重要功能。(6)通过对不同盐胁迫浓度下处理24 h的薄壳山核桃生理、基因和代谢谱进行关联分析,发现薄壳山核桃生理参数与代谢产物具有更强的相关性,而差异基因可能主要通过关键代谢产物参与植物的生理调控。发现了一个可能在薄壳山核桃盐胁迫中发挥着重要作用的NAC转录因子基因(Ci NAC72),其可能通过调控Amygdalin化合物增强薄壳山核桃的盐胁迫耐性。上述研究结果表明,薄壳山核桃具有适于盐土环境生长的生理生化特性和响应盐胁迫的分子调控机制。研究结果不仅为薄壳山核桃候选高耐盐新树种奠定了坚实的基础,而且也为其用作我国海岸带滨海盐土区发展生态高值园艺产业的优良果树树种提供了实证。